JPS6317433A - 光伝送路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は超高速長距離光伝送システム用光伝送路に関
する。

〔従来の技術〕

光ソリトンはその幅が光伝搬距離に依存しない光超短パ
ルスであるため、この性質を利用して超高速光通信シス
テムを実現することが提案されている。しかし従来の単
一モード光ファイバを光伝送媒体として用いると、光フ
ァイバの光損失の影響のため、光ソリトンは光ソリトン
としての性質を伝搬するにつれ失い、その幅が増大する
（例えばＡ、ハセガワ、Ｙ、コダマ、プロシーデインダ
ス　オブ　アイ　イー　イー　イー、第６９巻、９号、
　１１４５ページ、　１９８１年）、この結果、実現可
能なビットレートが大幅に制限される。そこで、光ファ
イバの光損失を誘導ラマン増幅等の光増幅手段で補うこ
とが行われている（例えばり、Ｆ、モレナウア他、オプ
チックス・レターズ誌、第１０巻。

５号、２２９ページ、　１９８５年）。この方法によれ
ば光損失の問題は解決されるが、数ｋｍ−１０ｋａ＋程
度の短い間隔で光伝送路に大がかりな光増幅器を挿入す
る必要があるという大きな問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、通常の単一モード光ファイバを用いると、
光ファイバの光伝送損失により光ソリトンはその幅が拡
がってしまい、達成可能な伝送速度が制限され、また光
増幅器を用いることによりこの問題を解決するためには
、数ｋ１１〜１０１ｕａ間隔で多数の光増幅器を光伝送
路に挿入する必要があるため、光通信システムが非常に
高価なものになるのみならず、光通信システムの信頬性
が低下す゛るという問題があった。

本発明の目的は、光増幅器の挿入間隔を大幅に拡大する
ことができ、安価で信頌性の高い、超高速光伝送路を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の本発明の光伝送路は、光ファイバにおける群速度
分散ｋｔ（ｓ２／ｃＩ１１）が光伝搬方向（軸方向）に
対して、 ｋｇ　Ｆ”（ｋｚ　）＋αｅｘｐ　（−２ＴＺ）＝０を
満足するように変化している光ファイバと、光増幅器と
を交互に接続した光伝送路において、前記複数の光ファ
イバの全ての入射端における光のピークパワーＰが、 ０．５　Ｐ、□＜　Ｐ　＜　１．５　Ｐ　ａｐｔの関係
を満足するように、前記光増幅器の光増幅度が設定され
ていることを特徴とする。

第２の本発明の光伝送路は、光損失係数ｒ　（１／ｃＩ
Ｉ＋）が同程度で群速度分散の異なる光ファイバを複数
接続した光ファイバ伝送路であって、その全長における
群速度分散ｋｚが光伝方向（軸方向）に対して近似的に
、 ｋｚＦｚ（ｋｚ）＋ａｅ　ｘｐ　（−２ｒ　ｚ）＝０の
関係を満足する光ファイバ伝送路と、光増幅器とを交互
に接続した光伝送路において、前記複数の光ファイバ伝
送路の全ての入射端における光のピークパワーＰが、 ０．５　Ｐｏｐｔ　＜Ｐ＜１．Ｓ　Ｐ、、ｔの関係を満
足するように、前記光増幅器の光増幅度が設定されてい
ることを特徴とする。

〔作用〕

単一モード光ファイバの光伝搬特性は波動方程式 ％式％ により表される（例えばＢ、Ｐネルソン他、オプチック
ス・コミュニケイシッンズ、第４８＠、４号。

２９２ヘージ、　１９８３年）。ここで光の電界強度Ｅ
は、ａ（ｔ、ｚ）　−−Ｅ（ｔ、ｚ）　　ｅ　ｘｐ　（
ｉ　　（ωｔ−ｋｏ　ｚ）　）＋複素共役環 の平面波である。２は光の進行方向を表わす座標で、ｔ
は時間、ωは光周波数、ｋｏ、に、、ｋ。

はそれぞれ光の位相速度９群速度１群速度分散である。

またＴは光の減衰率、ｎｏ及びｎ２はそれぞれ線形屈折
率と非線形屈折率である。単位は０ｇ３を用いている。

ここで、ガリレイ座標変喚 ｔ　’　＝　（ｔ−に、ｚ）／ｒ　　　　　　　（２ａ
）ｚ’＝ｚ／ζ　　　　　　　　　　　　（２ｂ）Ｆ＝
ζＴ　　　　　　　　　　　　　　（３ａ）（３ｂ） を用いて式（１）を変換すると 　ｚｌ が得られる。式（４）において右辺第１項が光ファイバ
の群速度分散の影響を表しく以後、第１項を分散項と呼
ぶ）、第２項が光ファイバの非線形性の影響を表す（以
後、第２項を非線形項と呼ぶ）。

ここで式（４）の非線形項がｅｘｐ　（−２ｒ’ｚ’）
の割合で減少するが、これは光ファイバの光損失の影響
で光ファイバの非線形性の影響が２の増大につれ（つま
り光ソリトンが光ファイバを伝搬するにつれ）−＄ｉ少
することを意味する。この結果、光ソリトンは分散項の
影響のみを強く受ける結果、その幅が広がる。この問題
を避けるためには分散項も非線形項と同じ割合で減少す
るようにすればよい、つまり、 ｋ、（ｚ　’）−ｋｚｃｚ　’　＝Ｑ）ｅｘｐ　　（’
ｌｒ　ｚ　’）とする。この結果、光ソリトンが光ファ
イバ伝搬後も、その幅を全く変えないことは数値計算に
より容易に確認できる。

しかし現実の光ファイバの群速度分散は、そのコア径に
関係する（例えばり、グローゲ、アブライドオブチック
ス誌、第１０巻、　２２５２ページ、　１９７１年）。

従って、光ファイバの群速度分散に式（５）のような距
離依存性を持たせると、同時に光ファイバのコア径も距
離依存性を持つ。光ファイバのコア径が変化すると光フ
ァイバ内の光子密度がコア径の２乗の逆数に比例して変
化し、従って非線形性の強さも同様に変化する。そこで
、この点を考慮して式（５）を α と置き換える。ここでａ（ｚ’）は光ファイバの有効コ
ア径であり、αは後に指定する定数である。

有効コア径は光ファイバの有効コア面積（例えばＳ、Ｅ
、　　ミラー編、オプチカルファイバテレコミュニケイ
ションズ、アカデミツクプレス、１３０ページ）に対応
する径であり、光ファイバの実際のコア径に非常に近い
。さてここで、ａは一般にに！の関数として近似できる
。この関係を、ａ＝Ｆ（ｋｇ）　　　　　　　　　　　
（７１とすると式（６）は、 ｋｚ　Ｆ”（ｋｚ）＋αｅ　ｘｐ　　（−２ｒ　ｚ）　
＝０　　（８１となる。ここでは実座標を用いた。この
ように光ファイバの有効コア径はａ＝Ｆ（ｋ２）のよう
にに２の関数で近似できるが、代表的な方法は多項式を
用いる方法である。従って式（８）はに２の多項方程式
と考えることができる。従って式（８）は各２について
解くことによりその２におけるに２の値が求まる。そし
て、そのに２より式（７）を用いて光ファイバの有効コ
ア径が求まる。なお、αは２＝Ｏの時のに２を決めれば
自動的に決定される。２＝０の時のｋｔの値は、通常は
実現可能な値のうち最大のものをとる。

以上のように有効コア径が２軸方向（光伝搬方向）に対
して変化する光ファイバを用いれば、光ソリトンをその
幅を変えることなく長距離にわたり伝搬させることが可
能である。

ところで、前記の方法でに２の値を変化させ得る範囲に
は限度がある。これにより、光ファイバの実現可能な長
さも制限され、実際には高々１５０に＋ａ程度である。

そこで群速度分散が伝送方向に変化する光ファイバを多
数接続することが考えられる。一方、超短光パルスであ
る光ソリトンを幅を変えずに光ファイバを伝搬させるた
めには、その入射端でのピークパワーが、 でなければならない（Ｎ、Ｊ、　　ドーラン他、アイイ
ーイー　ジャーナル　オブ　カンタム　エレクトロニク
ス誌、ＱＢ−１９巻、１２号、　１８８３ページ。

１９８３年）。但し、ｎｏは光ファイバのコアの線形“
屈折率、Ａは光ファイバの入射端における有効コア面積
（ｃｎｉ）　、Ｅ　（Ｖ／ａ＋＋）はを伝搬する光パル
スの半値全幅（ｓ）、ｋｏ（１／ａｍ）とｋｇ　　（ｓ
”／ａｓ）は光ファイバの入射端における伝搬定数及び
群速度分散、ｎ２は光ファイバのコアの非線形屈折率（
ｃｄ／Ｖ”）である。

そこで前述の如く、光ファイバを接続する時に、その接
続点に光増幅器を挿入し、その光増幅度を調整すること
により、次段の光ファイバ入射端で式（９）の関係を満
足するように光ソリトンのピークパワーを調節する必要
がある。実際には、式（９）を厳密に満足することはで
きないが、そのピークパワーＰを ０．５　Ｐ　ａｐｔ　＜　Ｐ　＜１．５　Ｐ　ｏｐｓ　
　　　　αのとすれば、光ソリトンのエネルギーの大半
はソリトンとして伝搬する（　Ｊ　、　Ｓａｆｓｕｍａ
他、サブリメント　オプ　プログレス　オプ　セオレテ
ィカルとする方がより望ましい。

〔実施例〕

図を用いて本発明の光伝送路の実施例を説明する。

第１図は光伝送路の一実施例の模式図である。

第１図に見られるように、本実施例の光伝送路は、有効
コア径のわずかに異なる単一モード光ファイバを多数接
続した（図では、単一モード光ファイバのコア径をす、
、ｂ、、ｂ、、ｂ４・・・で示している）はとんど同じ
２本の光ファイバ伝送路１゜２を用意し、これら光ファ
イバ伝送路１，２を光増幅器５を介して接続したもので
ある。光ファイバ伝送路１．２と光増幅器５の間には光
学レンズ３．４を配し、結合損失を最少に抑えている。

ここで光ファイバ伝送路１．２を構成している単一モー
ド光ファイバの長さと、それらの有効コア径の関係は以
下のようにして決定した。

まず有効コア半径の異なる（２μｍ−５μｍ）ステップ
・インデックス形単−モード光ファイバ２０！ｆ類以上
について、それらの群速度分散を測定した。その結果、
群速度分散と有効コア半径は第２図に示すごとく、はぼ
線形の関係にあり、これは既報告の文献中の理論とほぼ
一致することが確認された〔例えばり、グローゲ、アプ
ライド・オブチックス誌、第１０巻、　２２５２ページ
、　１９７１年及びＳ、コバヤシ他、プロシーディンゲ
ス　オブ　アイ　オー　オー　シー（東京、１９７７年
）、Ｂ８−３〕。従って式（７）の関係は、 となる。ここでに２は群速度分散（ｓ”／ｍ）で、には
、 ２πＣ である０式＠において、Ｃは真空中の光速度３×１０”
ｍ／Ｓ、λｖ０は真空中の光波長で、ここでは１．５５
Ｘ１０−６ｍとする。これを式（８）に代入すると、ｋ
、’　＋４０にｋｇ”　＋４００　ｇ”ｋ、　＋ｃｘ　
’　ｅｘｐ（−２ｙｚ）−０Ｑ湯 となる。

波長１．５５μ…ではに＝１．２７５　Ｘｌ０−”　　
（Ｓ”　／ｍ〕、またファイバ入射端（ｚ　＝　０）の
群速度分散は手持ちファイバ中の最大のものである＋２
０（ｐ　ｓ　／ｎｍ）　／ｋｆｆｉのものとしたので〔
ｋ２＝２．５５Ｘ１０−”　　（ｓ”　／ｍ）　、ｏｔ
＝　−６，６３３ｘｌＯ−”となる、またファイバの光
伝送損失はどれも約０．２ｄＢ／ｋｍ程度であったので
、Ｔ＝２．３　Ｘｌ０−’（１／ａｍ）である。以上の
係数を用いて、各２点におけるに！を式α争より求め、
またこの結果と式Ｑｌ）より求めたファイバの有効コア
径の変化を第３図に実線により示している。

次に、手持ちの径の異なるファイバを適当な長さに切断
し、なるべ（第３図の実線に近くなるように組み合わせ
て接続した。その結果得られた光ファイバ伝送路の群速
度分散と有効コア径の距離依存性を第３図中に点線で示
しである。なお、光ファイバの接続点における光損失量
は、ファイバ径がほとんど同じこともあり、０．０５ａ
Ｂ以下にすることができた。このようにして作られた光
ファイバ伝送路の群速度分散の距離依存性はその理想的
なもの（第３図の実線）とは異なり第３図の点線のよう
に階段状に変化しているが、この影響は極端に短い光ソ
リトンを伝搬させる場合を除いて無視できるものである
。また、言うまでもなく、もっと短い適当なコア径の光
ファイバを接続することにより、より理想に近い光ファ
イバ伝送路を構成することができる。

以上のようにして、はとんど同じ２本の光ファイバ伝送
路１．２を用意し、第１図に示すように光増幅器５を介
して接続した。光増幅器５は、飽和出力の大きい進行波
形レーザダイオードである。

ところで、各光ファイバ伝送路入射端での光ソリトンの
ピークパワーは式αのを満足しなければならないが、式
（９）を満足すれば、より望ましい０本実施例ではほぼ
同じ光ファイバ伝送路を用いているため、それぞれの入
射端におけるピークパワーもほぼ等しい。そこで、光増
幅器５には、光ファイバ伝送路における全光損失と、光
ファイバ伝送路接続部における結合損失を補う程度の光
増幅度が要求される。光ファイバ伝送路の光損失が２０
ｄＢで、また結合損失は約３ｄＢであるので、進行波形
レーザダイオード光増幅器５のバイアス電流を調節し、
光増幅度を２３ｄＢに設定した。これにより、式（９）
の関係がほぼ正確に満足された。

本実施例の光伝送路の性能をテストするためにソリトン
レーザを用意した。ソリトンレーザに関してはオプチッ
クスレターズ誌、第９巻、１号。

１３ページ、　１９８４年に発明者のり、Ｆ、モレナウ
ア他より詳しく説明されているので、ここでは簡単な説
明にとどめる。ソリトンレーザとは、光ファイバによる
外部注入同期機構をもつカラーセンタレーザで、その光
ファイバの長さとコア径を適当に選ぶことによりカラー
センタレーザの出力と同期可能なモード数の範囲で任意
の幅と強度を有する光パルスを発生できる。そこで、前
記光ファイバの長さを適当に調節したところ、波長が１
．５５μ繭で半値全幅が１７ｐｓ、ピーク強度が約１．
５Ｗの光パルスを連続的に発生することができた。とこ
ろが、光転送路入射端において幅が１７ｐＳの光パルス
が光伝送路が保持するソリトンであるためには、そのピ
ーク強度は１５５　ｍＷ程度でなければならない。そこ
で、ソリトンレーザと光伝送路の結合損失も考慮して、
ソリトンレーザの出力光を光減衰器を通して光伝送路に
注入することにした。このようにして注入した光ソリト
ンの光転送路伝搬後の幅を測定したところ、その幅がほ
とんど変化していないことが確認された。

以上本発明の光伝送路の一実施例について説明したが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。本実施
例ではステップインデックス形の単一モード光ファイバ
を用いて光ファイバ伝送路を構成したが、これは他の屈
折率分布をもつ光ファイバを用いてもよい。他の構造の
光ファイバを用いる場合は、その群速度分散と有効コア
径の関係が本実施例の場合とは異なることが予想される
が、このような光ファイバを用いても基本的には本実施
例と同じ手続により光ファイバ伝送路をつくることが可
能である。また、異なる屈折率分布をもつ光ファイバを
組合せてもよい。また、光ファイバ伝送路を量産する場
合を考えると、本実施例のように異なる径のファイバを
組合せるよりは、光ファイバ製造時に光ファイバの母材
より光ファイバを引く速度を適当に調節すれば、その有
効コア径がテーパ状に変化する理想的な光ファイバが得
られる。また、本実施例では光増幅器として、進行波形
レーザダイオード光増幅器を用いたが、これは誘導ラマ
ン散乱を利用するラマン増幅器や、また各種の気体及び
固体レーザ増幅器を用いてもよい。最後に、本実施例に
おいては、幅がｔ７ｐｓの光ソリトンに関して説明した
が、本実施例の光伝送路はｌｐｓ以下の幅の光ソリトン
を伝搬させることも可能である。

〔発明の効果〕

本発明により、超短光パルスである光ソリトンを、その
幅を変えることなく長距離にわたり伝搬させることが可
能となり、光通信システムの伝送速度を大幅に向上させ
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光伝送路の一実施例の模式図、第２図は実施例
で用いたステップインデックス形単−モード光ファイバ
のファイバの有効コア半径と群速度分散の関係を示す図
、 第３図は光ファイバ伝送路の群速度分散と有効コア径と
長さの関係を示す図である。 １．２・・・光ファイバ伝送路 ３．４・・・レンズ ５・・・光増幅器 代理人弁理士　　　岩　　佐　　義　　幸第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）光ファイバにおける群速度分散ｋ＿２が光伝搬方
   向（軸方向）に対して、 ｋ＿ｚＦ＾ｚ（ｋ＿ｚ）＋αｅｘｐ（−２γｚ）＝０〔
   但し、 Ｆ（ｋ＿ｚ）はｋ＿ｚの関数として表された光ファイバ
   の有効コア径、 ｚは光ファイバの伝送方向距離、 αはｚ＝０の時のｋ＿ｚにより決定される定数、 γは光損失係数、〕 を満足するように変化している光ファイバと、光増幅器
   とを交互に接続した光伝送路において、前記複数の光フ
   ァイバの全ての入射端における光のピークパワーＰが、 ０．５Ｐ＿ｏ＿ｐ＿ｔ＜Ｐ＜１．５Ｐ＿ｏ＿ｐ＿ｔ〔但
   し、Ｐ＿ｏ＿ｐ＿ｔ＝（ｎ＿ｏＡ／７５４）Ｅ＾２であ
   り、ここに、 ｎ＿ｏは前記光ファイバのコアの線形屈折率、Ａは前記
   光ファイバの入射端における有効 コア面積、 Ｅは０．５７／Ｔ（２ｎ＿ｏ｜ｋ＿ｚ｜／ｎ＿２ｋ＿ｏ
   ）＾−＾１＾／＾２、Ｔは前記光ファイバを伝搬する光
   パルスの 半値全幅、 ｋ＿ｏは前記光ファイバの入射端における伝搬定数、 ｋ＿ｚは前記光ファイバの入射端における群速度分散、 ｎ＿ｚは前記光ファイバのコアの非線形屈折率である〕 関係を満足するように、前記光増幅器の光増幅度が設定
   されていることを特徴とする光伝送路。 （２）光損失係数γが同程度で群速度分散の異なる光フ
   ァイバを複数接続した光ファイバ伝送路でって、その全
   長における群速度分散ｋ＿ｚが光伝方向（軸方向）に対
   して近似的に、 ｋ＿ｚＦ＾ｚ（ｋ＿ｚ）＋αｅｘｐ（−２γｚ）＝０〔
   但し、 Ｆ（ｋ＿ｚ）はｋ＿ｚの関数として表された光ファイバ
   の有効コア径、 ｚは光ファイバの伝送方向距離、 αは光ファイバ伝送路入射端の光ファイバ のｋ＿ｚにより決定される定数である〕 関係を満足する光ファイバ伝送路と、光増幅器を交互に
   接続した光伝送路において、 前記複数の光ファイバ伝送路の全ての入射端における光
   のピークパワーＰが、 ０．５Ｐ＿ｏ＿ｐ＿ｔ＜Ｐ＜１．５Ｐ＿ｏ＿ｐ＿ｔ〔但
   し、Ｐ＿ｏ＿ｐ＿ｔ＝（ｎ＿ｏＡ／７５４）Ｅ＾２であ
   り、ここに、 ｎ＿ｏは前記光ファイバ伝送路のコアの線形屈折率、 Ａは前記光ファイバ伝送路の入射端におけ る有効コア面積、　 Ｅは０．５７／Ｔ（２ｎ＿ｏ｜ｋ＿ｚ｜／ｎ＿ｚｋ＿ｏ
   ）＾−＾１＾／＾２Ｔは前記光ファイバ伝送路を伝搬す
   る光パ ルスの半値全幅、 ｋ＿ｏは前記光ファイバ伝送路の入射端における伝搬定
   数、 ｋ＿ｚは前記光ファイバ伝送路の入射端における群速度
   分散、 ｎ＿ｚは前記光ファイバ伝送路のコアの非線形屈折率で
   ある〕 の関係を満足するように、前記光増幅器の光増幅度が設
   定されていることを特徴とする光伝送路。